基于FPGA的無線同播頻率校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)

摘要：在討論了無線同播特點(diǎn)和頻率校準(zhǔn)基本原理的基礎(chǔ)上，提出了一種基FPGA的無線同播頻率校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了高精度廣播頻率的輸出，給出了詳細(xì)設(shè)計(jì)過程和實(shí)際測試結(jié)果。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場可編程門陣列；無線同播；頻率校準(zhǔn)

0 引言
近年來，無線同播系統(tǒng)在民事和警事中的應(yīng)用日益廣泛，其快速搭建和空中接入等優(yōu)勢在512地震的救災(zāi)調(diào)度中得以充分體現(xiàn)。同播系統(tǒng)工作時(shí)，所有發(fā)射站會在同一時(shí)刻點(diǎn)以相同頻率向外廣播，由于各站的發(fā)射頻率相對于標(biāo)準(zhǔn)頻率有不同偏差，在功率重疊區(qū)產(chǎn)生頻率疊加，出現(xiàn)同頻干擾。目前，國內(nèi)外通信廠家的同播發(fā)射機(jī)的發(fā)射頻率偏差大都在1ppm(parts per million)以上，不通過校準(zhǔn)，無法達(dá)到0．05ppm正常通話的最低要求。有線同播系統(tǒng)是利用光纖網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)發(fā)射頻率的。無線同播系統(tǒng)目前只能通過兩種方法解決：一是設(shè)置中心站，但系統(tǒng)響應(yīng)速度慢；二是盡量縮小功率重疊區(qū)，其建站周期長而且可靠性低。兩種方法都沒有從根本上解決無線同播系統(tǒng)的同頻干擾，發(fā)射頻率的校準(zhǔn)已經(jīng)成為無線同播系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。因此，本文提出一種基于FPGA技術(shù)的頻率校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1．1 同頻干擾的產(chǎn)生和解決方法
一個(gè)無線同播系統(tǒng)需要架設(shè)若干個(gè)大功率發(fā)射站點(diǎn)，才能滿足大區(qū)域的通信需求。站點(diǎn)間硬件和工作環(huán)境各有差異，導(dǎo)致各站的頻率偏差不同。例如兩個(gè)發(fā)射頻率為350MHz的站點(diǎn)，一個(gè)的頻偏為+1ppm，另一個(gè)為-1ppm，在功率重疊區(qū)就會產(chǎn)生700Hz的頻率差，形成嘯聲，影響通話質(zhì)量。從理論上講，要保證同頻覆蓋區(qū)的通話質(zhì)量，必須使各發(fā)射站的頻偏保持在0．05ppm以下。校準(zhǔn)各發(fā)射站頻率的最好方法，是為其提供統(tǒng)一可靠的基準(zhǔn)時(shí)鐘信號。GPS定位衛(wèi)星信號精度高，沒有時(shí)間和地域的限制，可以作為基準(zhǔn)時(shí)鐘信號同步各站的基準(zhǔn)振蕩器，解決同頻干擾的關(guān)鍵性問題。
1．2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
頻率校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由高精度GPS信號接收器、FPGA芯片、VC-TC2XO(壓控恒溫晶振)、高精度DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)等部分組成。VC-TCXO為FPGA提供工作時(shí)鐘，也為發(fā)射提供基準(zhǔn)頻率。FPGA通過GPS秒脈沖信號計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)時(shí)長，記錄下這段時(shí)間內(nèi)VC-TCXO產(chǎn)生的脈沖總數(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)的脈沖數(shù)進(jìn)行對比，最后通過DAC對VC-TCXO進(jìn)行電壓校正。校準(zhǔn)后的VC-TCXO頻率通過FPGA內(nèi)部PLL倍頻，成為發(fā)射頻率?；居布Y(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

FPGA編程比較靈活，可設(shè)置任意位的片上寄存器，保證了脈沖計(jì)數(shù)的精度，適用于高精度的頻率校準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)采用Actel公司Fusion系列的AFS600，屬于Flash架構(gòu)，內(nèi)部集成了60萬邏輯門。以Flash為基礎(chǔ)的FPGA將配置信息儲存在片上Flash單元中，一旦完成編程，配置數(shù)據(jù)就會成為FPGA結(jié)構(gòu)的固有部分，在系統(tǒng)上電時(shí)無需通過外部SRAM載入配置數(shù)據(jù)。AFS600可靠性高、功耗低，節(jié)省外部元件，適合開發(fā)手持設(shè)備。
本設(shè)計(jì)采用的GPS接收機(jī)是Motorola公司生產(chǎn)的M12M授時(shí)型OEM模塊，輸出秒脈沖信號的精度±20ns。壓控恒溫晶振采用華晶達(dá)電子公司的VC-TCXO(503212．8M)，中心頻率12．8MHz，工作電壓3．3V，溫度穩(wěn)定度±1．0ppm，老化率±1．0ppm／年，控制電壓范圍1．65±1．0v，可調(diào)節(jié)頻率范圍1 2．8MHz±300Hz。高精度DAC采用TI公司的。DAC8552，具有16位精度，可串行SPI控制方式，參考電壓為3．3V。